聚合物粘合劑改善陽極顯著提高電池壽命

聚合物粘合劑改善陽極顯著提高電池壽命在硅電極中添加聚合物粘合劑可以改善鋰離子電池的穩(wěn)定性日本研究人員表示，他們改進(jìn)了鋰離子電池硅陽極設(shè)計(jì)，可以提高高能量密度電池的整體壽命，從而可以解決一些目前與儲(chǔ)能電池相關(guān)的限制。來自日本先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究所（JAIST）的科學(xué)家們已經(jīng)驗(yàn)證了在鋰離子電池硅陽極中添加一種特殊的聚合物復(fù)合粘合劑可以明顯提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。這使得使用這種材料制成的陽極制造的電池壽命更長(zhǎng)，因此能夠滿足電動(dòng)汽車和其它設(shè)備不斷增長(zhǎng)的能源需求。多年來，鋰離子電池一直是我們使用的大多數(shù)設(shè)備的默認(rèn)配置，但它們的局限性已經(jīng)變得很明顯，尤其是在電動(dòng)汽車上的使用，電動(dòng)汽車需要更多的耐用性、能量密度和整體壽命。研究人員一直在尋找用于這些電池的替代材料，利用硅代替石墨作為陽極成為解決方案之一。這是因?yàn)楣韪S富、廉價(jià)，而且比石墨有更高的理論放電容量。然而，硅陽極也存在缺點(diǎn)，尤其是重復(fù)充電與放電會(huì)引起硅粒子的膨脹與破裂，從而在電解質(zhì)和陽極之間形成厚的固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）。厚固態(tài)電解質(zhì)界面限制鋰離子在電極中的移動(dòng)，進(jìn)而限制了電池的性能以及隨時(shí)間的充放電能力。粘合劑的應(yīng)用為了改善鋰離子電池硅陽極的性能，由NoriyoshiMatsumi教授帶領(lǐng)的研究所團(tuán)隊(duì)研發(fā)出使用聚合物復(fù)合粘合劑改善陽極硅粒子穩(wěn)定性的方法。研究人員表示，這會(huì)產(chǎn)生一層固態(tài)電解質(zhì)界面，可阻止陽極與電解質(zhì)自發(fā)地相互反應(yīng)，但不會(huì)抑制鋰離子流動(dòng)。具體來說，在復(fù)合粘合劑中使用了聚二亞氨基苯并萘醌（P-BIAN）和含羧酸鹽的聚合物聚（丙烯酸）（PAA），通過氫鍵聯(lián)系在一起。這種設(shè)計(jì)由n型導(dǎo)電聚合物(CPs)和具有氫鍵網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)子提供聚合物組成，代表了“大容量電極材料的一個(gè)有前途的未來”。事實(shí)上，復(fù)合聚合物結(jié)構(gòu)可將硅粒子固定在一起，防止其破裂，而氫鍵允許結(jié)構(gòu)自我修復(fù)。研究人員表示，這意味著如果聚合物斷裂或降解，它們可以重新附著。粘結(jié)劑還改善了陽極的導(dǎo)電性，同時(shí)通過限制電解液的電解分解保持薄SEI。改善陽極為了測(cè)試粘合劑，團(tuán)隊(duì)制造了一個(gè)陽極半電池，這種半電池是由含石墨的硅納米顆粒（Si/C）、粘合劑（P-BIAN/PAA）與乙炔黑（AB）導(dǎo)電添加劑組成。然后，將Si/C/（P-BIAN/PAA）/AB陽極進(jìn)行重復(fù)充放電循環(huán)。在該過程中，粘合劑穩(wěn)定了硅陽極，可在超過600次循環(huán)后維持放電容量2100mAh/g，相反，裸硅碳陽極的容量在90次循環(huán)中下降到600mAh/g。在測(cè)試陽極后將其拆解，通過光譜儀和顯微鏡對(duì)其進(jìn)行檢查，尋找任何可能因?yàn)楣杵屏讯l(fā)生的裂縫，這在這些陽極中很常見。研究人員發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過400次循環(huán)后，陽極保持了光滑的結(jié)構(gòu)，只有一些微裂紋。這表明粘結(jié)劑成功地改善了電極的結(jié)構(gòu)完整性。研究結(jié)果總體上證明了硅陽極在鋰離子電池中的未來應(yīng)用前景